Characterization of polyphenol oxidase in two cocoa (Theobroma cacao L.) cultivars produced in the south of Bahia, Brazil

Abstract The reactions leading to the formation of precursors of chocolate flavor are performed by endogenous enzymes present in the cocoa seed. Polyphenol oxidase (PPO) presence and activity during fermentation of cocoa beans is responsible for the development of flavor precursors and is also implicated in the reduction of bitterness and astringency. However, the reliability of cocoa enzyme activities is complicated due to variations in different genotypes, geographical origins and methods of fermentation. In addition, there is still a lack of systematic studies comparing different cocoa cultivars. So, the present study was designed to characterize the activity of PPO in the pulp and seeds of two cocoa cultivars, PH 16 and TSH 1188. The PPO activity was determined spectrophotometrically and characterized as the optimal substrate concentration, pH and temperature and the results were correlated with the conditions during the fermentation process. The results showed the specificity and differences between the two cocoa cultivars and between the pulp and seeds of each cultivar. It is suggested that specific criteria must be adopted for each cultivar, based on the optimal PPO parameters, to prolong the period of maximum PPO activity during fermentation, contributing to the improvement of the quality of cocoa beans.

Chemical and volatile composition of jujube wines fermented by Saccharomyces cerevisiae with and without pulp contact and protease treatment

Abstract This study evaluated the chemical and volatile composition of jujube wines fermented with Saccharomyces cerevisiae A1.25 with and without pulp contact and protease treatment during fermentation. Yeast cell population, total reducing sugar and methanol contents had significant differences between nonextracted and extracted wine. The nonextracted wines had significantly higher concentrations of ethyl 9-hexadecenoate, ethyl palmitate and ethyl oleate than the extracted wines. Pulp contact also could enhance phenylethyl alcohol, furfuryl alcohol, ethyl palmitat and ethyl oleate. Furthermore, protease treatment can accelerate the release of fusel oils. The first principal component separated the wine from the extracted juice without protease from other samples based on the higher concentrations of medium-chain fatty acids and medium-chain ethyl esters. Sensory evaluation showed pulp contact and protease could improve the intensity and complexity of wine aroma due to the increase of the assimilable nitrogen.

Modeling and kinetic study of bio-ethanol production from soy protein concentrate by-product

Abstract The aim of this work was to evaluate a non-agitated process of bioethanol production from soybean molasses and the kinetic parameters of fermentation using a strain of Saccharomyces cerevisiae (ATCC® 2345). Kinetic experiment was conducted in medium with 30% (w v-1) of soluble solids without supplementation or pH adjustment. The maximum ethanol concentration was in 44 hours, the ethanol productivity was 0.946 g L-1 h-1, the yield over total initial sugars (Y1) was 47.87%, over consumed sugars (Y2) was 88.08% and specific cells production rate was 0.006 h-1. The mathematical polynomial was adjusted to the experimental data and provided very similar parameters of yield and productivity. Based in this study, for one ton of soybean molasses can be produced 103 kg of anhydrous bioethanol.

Veden puhdistus mikro-organismisovelluksilla (EM Mudball®)

Vesistöjen rehevöityminen on maailmanlaajuinen ongelma. ”Effective microorganisms (EM)” -teknologian väitetään mahdollistavan ravinteiden poiston vesistä luonnonmukaisten mikro-organismien avulla. Työn tavoitteena on selvittää kyseistä teknologiaa hyödyntävien EM-mutapallojen soveltuvuutta suomalaisten luonnonvesien sekä jätevesien ravinteiden poistamiseen. Kirjallisuusosassa selitettiin EM-teknologian toimintaperiaate sekä esitettiin EM-mutapallojen koostumus. Tässä osassa selvitettiin myös teknologian käyttökohteita. Lisäksi perehdyttiin Suomen vesistöjen tilanteeseen sekä EM-teknologian mahdollisiin hyödyntämiskohteisiin. Kokeellisessa osassa seurattiin 6 eri vesinäytteen ravinnepitoisuuksien muutosta EM-mutapallon käytön aikana. Osaa näytteistä säilytettiin jääkaapissa, jotta päästiin lähemmäs Suomessa vallitsevia olosuhteita. Analysoidut ravinteet olivat nitraatti, sulfaatti, fosfaatti ja typpi. Tuloksien mukaan EM-mutapallojen käyttö poisti pääsääntöisesti vesinäytteistä nitraatin. Sulfaatin poisto sen sijaan oli huomattavasti heikompaa. Paria näytettä lukuun ottamatta sulfaattipitoisuudet eivät laskeneet lähtökonsentraation alle, vaikka ajoittaista laskua tapahtuikin. Fosfaattipitoisuudet näytteissä olivat yleisesti hyvin pieniä, eivätkä ylittäneet määritysrajaa kokeen aikana ollenkaan. Ainoastaan fosfaattia sisältäneessä synteettisessä näytteessä tapahtui fosfaattipitoisuuden laskua, joka kuitenkin palautui lähes alkuperäiselle tasolle koejakson lopussa. Näytteiden typpipitoisuuksien kasvun aiheutti käymistuotteena muodostuva ammonium, jonka takia myös näytteiden pH nousi. Kokeet vahvistavat aiempia tutkimustuloksia, joiden mukaan EM-mutapallo hajoaa kahden viikon kuluttua niiden lisäämisestä vesinäytteisiin. Aikaisemmista tutkimuksista poiketen tämän kokeen mukaan EM-mutapallot näyttäisivät toimivan paremmin viileämmässä lämpötilassa. Kokeen perusteella EM-teknologian hyödyntäminen voisi olla potentiaalinen vaihtoehto tulevaisuudessa Suomen vesistöjen nitraatin poistoon.

Timing of di-ammonium phosphate addition to fermenting chardonnay must : effect on nitrogen utilization, ethyl-carbamate formation, and CAR1 expression by yeast /

The maximum amount of ethyl carbamate (EC), a known animal carcinogen produced by the reaction of urea and ethanol, allowed in alcoholic beverages is regulated by legislation in many countries. Wine yeast produce urea by the metabolism of arginine, the predominant assimilable amino acid in must. This action is due to arginase (encoded by CARl). Regulation of CARl, and other genes in this pathway, is often attributed to a well-documented phenomenon known as nitrogen catabolite repression. The effect of the timing of di-ammonium phosphate (DAP) additions on the nitrogen utilization, regulation of CARl, and EC production was investigated. A correlation was found between the timing of DAP addition and the utilization of nitrogen. When DAP was added earlier in the fermentations, less amino nitrogen and more ammonia nitrogen was sequestered from the media by the cells. It was also seen that early DAP addition led to more total nitrogen being used, with a maximal difference of ~25% between fermentations where no DAP was added versus addition at the start of the fermentation. The effect of the timing ofDAP addition on the expression of CARJ during fermentation was analyzed via northern transfer and the relative levels of CARl expression were determined. The trends in expression can be correlated to the nitrogen data and be used to partially explain differences in EC formation between the treatments. EC was quantified at the end of fermentation by GC/MS. In Montrachet yeast, a significant positive correlation was found between the timing of DAP addition, from early to late, and the final EC concentration m the wine (r = 0.9226). In one of the fermentations, EC levels of 30.5 ppb was foimd when DAP was added at the onset of fermentation. A twofold increase (69.5 ppb) was observed when DAP was added after 75% of the sugars were metabolized. When no DAP was added, the ethyl carbamate levels are comparable at a value of 38 ppb. In contrast, the timing of DAP additions do not affect the level EC produced by the yeast ECU 18 in this manner. The study of additional yeast strains shows that the effect of DAP addition to fermentations is strain dependent. Our results reveal the potential importance of the timing of DAP addition to grape must with respect to EC production, and the regulatory effect of DAP additions on the expression of genes in the pathway for arginine metabolism in certain wine yeast strains.

The role of Stl1p in glycerol accumulation in osmotically stressed icewine yeast Saccharomyces cerevisiae K1 V1116

The high sugar concentration in Icewine juice exerts hyperosmotic stress in the wine yeast causing water loss and cell shrinkage. To counteract the dehydration, yeast synthesize and accumulate glycerol as an internal osmolyte. In a laboratory strain of S. cerevisiae, STLl encodes for Stllp, an H+ /glycerol symporter that is glucose inactivated, but induced upon hyperosmotic stress. STLl, was found to be a highly upregulated gene in Icewine fermenting cells and its expression was 25-fold greater than in yeast cells fermenting diluted Icewine juice, making it one of the most differentially expressed genes between the two fermentation conditions. In addition, Icewine fermenting cells showed a two-fold higher glycerol production in the wine compared to yeast fermenting diluted Icewine juice. We proposed that Stllp is (1) active during Icewine fermentation and is not glucose inactivated and (2) its activity contributes to the limited cell growth observed during Icewine fermentation as a result of the dissipation of the plasma membrane proton gradient. To measure the contribution ofStl1p in active glycerol transport (energy dependent) during Icewine fermentation, we first developed an Stllp-dependent (14C]glycerol uptake assay using a laboratory strain of S. cerevisiae (BY 4742 and LiSTLl) that was dependent on the plasma membrane proton gradient and therefore energy-dependent. Wine yeast K1-Vll16 was also shown to have this energy dependent glycerol uptake induced under salt stress. The expression of STLl and Stllp activity were compared between yeast cells harvested from Icewine and diluted Icewine fermentations. Northern blot analysis revealed that STLl was expressed in cells fermenting Icewine juice but not expressed under the diluted juice conditions. Glycerol uptake by cells fermenting Icewine juice was not significantly different than cells fermenting diluted Icewine juice on day 4 and day 7 of Vidal and Riesling fermentations respectively, despite encountering greater hyperosmotic stress. Furthermore, energy- dependent glycerol uptake was not detected under either fermentation conditions. Because our findings show that active glycerol uptake was not detected in yeast cells harvested from Icewine fermentation, it is likely that Stllp was glucose inactivated despite the hyperosmotic stress induced by the Icewine juice and therefore did not play a role in active glycerol uptake during Icewine fermentation.

Study of new yeast strains as novel starter cultures for Riesling icewine production

Icewine is a sweet dessert wine fermented from the juice of grapes naturally frozen on the vine. The production of Icewine faces many challenges such as sluggish fermentation, which often yields wines with low ethanol, and an accumulation of high concentration of volatile acidity, mainly in the form of acetic acid. This project investigated three new yeast strains as novel starter cultures for Icewine fermentation with particular emphasis on reducing acetic acid production: a naturally occurring strain of S. bayanus/S. pastorianus isolated from Icewine grapes, and two hybrids between S. cerevisiae and S. bayanus, AWRI 1571 and AWRI 1572. These strains were evaluated for sugar consumption patterns and metabolic production of ethanol, glycerol and acetic acid, and were compared to the performance of a standard commercial wine yeast KI-VI116. The ITS rONA region of the two A WRI crosses was also analyzed during fermentations to assess their genomic stability. Icewine fermentations were performed in sterile filtered juice, in the absence of indigenous microflora, and also in unfiltered juice in order to mirror commercial wine making practices. The hybrid A WRI 1572 was found to be a promising candidate as a novel starter culture for Icewine production. I t produced 10.3 % v/v of ethanol in sterile Riesling Icewine fermentations and 11.2 % v/v in the unfiltered ones within a reasonable fermentation time (39 days). Its acetic acid production per gram sugar consumed was approximately 30% lower in comparison with commercial wine yeast K I -V 1116 under both sterile filtered and unfiltered fermentations. The natural isolate S. bayanus/S. pastorianus and AWRI 1571 did not appear to be suitable for commercial Icewine production. They reached the target ethanol concentration of approximately 10 % v/v in 39 day fermentations and also produced less acetic acid as a function of both time and sugar consumed in sterile fermentations compared to KI-V1116. However, in unfiltered fermentations, both of them failed to produce the target concentration of ethanol and accumulated high concentration of acetic acid. Both A WRI crosses displayed higher loss of or reduced copies in ITS rDNA region from the S. bayanus parent compared to the S. cerevisiae parent; however, these genomic losses could not be related to the metabolic profile.

Using GPS, GIS & remote sensing to understand Niagara Terroir : Pinot noir in the Four Mile Creek & St. David's Bench sub-appellations

The relationships between vine water status, soil texture, and vine size were observed in four Niagara, Ontario Pinot noir vineyards in 2008 and 2009. The vineyards were divided into water status zones using geographic information systems (GIS) software to map the seasonal mean midday leaf water potential (,P), and dormant pruning shoot weights following the 2008 season. Fruit was harvested from all sentinel vines, bulked by water status zones and made into wine. Sensory analysis included a multidimensional sorting (MDS) task and descriptive analysis (DA) of the 2008 wines. Airborne multispectral images, with a spatial resolution of 38 cm, were captured four times in 2008 and three times in 2009, with the final flights around veraison. A semi-automatic process was developed to extract NDVI from the images, and a masking procedure was identified to create a vine-only NDVI image. 2008 and 2009 were cooler and wetter than mean years, and the range of water status zones was narrow. Yield per vine, vine size, anthocyanins and phenols were the least consistent variables. Divided by water status or vine size, there were no variables with differences between zones in all four vineyards in either year. Wines were not different between water status zones in any chemical analysis, and HPLC revealed that there were no differences in individual anthocyanins or phenolic compounds between water status zones within the vineyard sites. There were some notable correlations between vineyard and grape composition variables, and spatial trends were observed to be qualitatively related for many of the variables. The MDS task revealed that wines from each vineyard were more affected by random fermentation effects than water status effects. This was confirmed by the DA; there were no differences between wines from the water status zones within vineyard sites for any attribute. Remotely sensed NDVI (normalized difference vegetation index) correlated reasonably well with a number of grape composition variables, as well as soil type. Resampling to a lower spatial resolution did not appreciably affect the strength of correlations, and corresponded to the information contained in the masked images, while maintaining the range of values of NDVI. This study showed that in cool climates, there is the potential for using precision viticulture techniques to understand the variability in vineyards, but the variable weather presents a challenge for understanding the driving forces of that variability.

Hyperosmotic Stress and the Impact on Metabolite Formation and Redox Balance in Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces bayanus strains

Wine produced using an appassimento-type process represents a new and exciting innovation for the Ontario wine industry. This process involves drying grapes that have already been picked from the vine, which increases the sugar content due to dehydration and induces a variety of changes both within and on the surface of the grapes. Increasing sugar contents in musts subject wine yeast to conditions of high osmolarity during alcoholic fermentations. Under these conditions, yeast growth can be inhibited, target alcohol levels may not be attained and metabolic by-products of the hyperosmotic stress response, including glycerol and acetic acid, may impact wine composition. The further metabolism of acetic acid to acetylCoA by yeast facilitates the synthesis of ethyl acetate, a volatile compound that can also impact wine quality if present in sufficiently high concentrations. The first objective of this project was to understand the effect of yeast strain and sugar concentration on fermentation kinetics and metabolite formation, notably acetic acid and ethyl acetate, during fermentation in appassimento-type must. Our working hypotheses were that (1) the natural isolate Saccharomyces bayanus would produce less acetic acid and ethyl acetate compared to Saccharomyces cerevisiae strain EC-1118 fermenting the high and low sugar juices; (2) the wine produced using the appassimento process would contain higher levels of acetic acid and lower levels of ethyl acetate compared to table wine; (3) and the strains would be similar in the kinetic behavior of their fermentation performances in the high sugar must. This study determined that the S. bayanus strain produced significantly less acetic acid and ethyl acetate in the appassimento wine and table wine fermentations. Differences in acetic acid and ethyl acetate production were also observed within strains fermenting the two sugar conditions. Acetic acid production was higher in table wine fermented by S. bayanus as no acetic acid was produced in appassimento-style wine, and 1.4-times higher in appassimento wine fermented by EC-1118 over that found in table wine. Ethyl acetate production was 27.6-times higher in table wine fermented by S. bayanus, and 5.2-times higher by EC-1118, compared to that in appassimento wine. Sugar utilization and ethanol production were comparable between strains as no significant differences were determined. The second objective of this project was to bring a method in-house for measuring the concentration of pyridine nucleotides, NAD+, NADP+, NADH and NADPH, in yeast cytosolic extract. Development of this method is of applicative interest for our lab group as it will enable the redox balance of the NAD+/ NADH and NADP+/ NADPH systems to be assessed during high sugar fermentations to determine their respective roles as metabolic triggers for acetic acid production. Two methods were evaluated in this study including a UV-endpoint method using a set of enzymatic assay protocols outlined in Bergmeyer (1974) and a colorimetric enzyme cycling method developed by Sigma-Aldrich® using commercial kits. The former was determined to be limited by its low sensitivity following application to yeast extract and subsequent coenzyme analyses, while the latter was shown to exhibit greater sensitivity. The results obtained from the kits indicated high linearity, accuracy and precision of the analytical method for measuring NADH and NADPH, and that it was sensitive enough to measure the low coenzyme concentrations present in yeast extract samples. NADtotal and NADPtotal concentrations were determined to be above the lower limit of quantification and within the range of the respective calibration curves, making this method suitable for our research purposes.

Augmentation de la production d'hydrogène par l'expression hétérologue d'hydrogénase et la production d’hydrogène à partir de résidus organiques

La recherche de sources d’énergie fiables ayant un faible coût environnemental est en plein essor. L’hydrogène, étant un transporteur d’énergie propre et simple, pourrait servir comme moyen de transport de l’énergie de l’avenir. Une solution idéale pour les besoins énergétiques implique une production renouvelable de l’hydrogène. Parmi les possibilités pour un tel processus, la production biologique de l’hydrogène, aussi appelée biohydrogène, est une excellente alternative. L’hydrogène est le produit de plusieurs voies métaboliques bactériennes mais le rendement de la conversion de substrat en hydrogène est généralement faible, empêchant ainsi le développement d’un processus pratique de production d’hydrogène. Par exemple, lorsque l’hydrogène est produit par la nitrogénase sous des conditions de photofermentation, chaque molécule d’hydrogène constituée requiert 4 ATP, ce qui rend le processus inefficace. Les bactéries photosynthétiques non sulfureuses ont la capacité de croître sous différentes conditions. Selon des études génomiques, Rhodospirillum rubrum et Rhodopseudomonas palustris possèdent une hydrogénase FeFe qui leur permettrait de produire de l’hydrogène par fermentation anaérobie de manière très efficace. Il existe cependant très peu d’information sur la régulation de la synthèse de cette hydrogénase ainsi que sur les voies de fermentation dont elle fait partie. Une surexpression de cette enzyme permettrait potentiellement d’améliorer le rendement de production d’hydrogène. Cette étude vise à en apprendre davantage sur cette enzyme en tentant la surexpression de cette dernière dans les conditions favorisant la production d’hydrogène. L’utilisation de résidus organiques comme substrat pour la production d’hydrogène sera aussi étudiée.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Studies on Lactic Acid Bacteria from Tropical Fish and Shellfish

In this study, an attempt has been made to gather enough information regarding lactic acid bacteria from fish and shellfish of tropical regions. The occurrence and distribution of lactic acid bacteria in fresh and frozen marine fish and shellfish, farmed fish and shellfish, cured and pickled fish and shellfish have been investigated. Lactic Acid Bacteria (LAB) have for centuries been responsible for the fermentative preservation of many foods. They are used to retard spoilage and preserve foods through natural fermentations. They have found commercial applications as starter cultures in the dairy, baking, meat, fish, and vegetable and alcoholic beverage industries. They are industrially important organisms recognized for their fermentative ability as well as their nutritional benefits. These organisms produce various compounds such as organic acids, diacetyl, hydrogen peroxide and bacteriocins or bactericidal proteins during lactic fermentations.Biopreservation of foods using bacteriocin producing LAB cultures is becoming widely used. The antimicrobial effect of bacteriocins and other compounds produced during fermentation of carbohydrates are well known to inhibit the growth of certain food spoiling bacteria as well as a limited group of food poisoning and pathogenic bacteria LAB like Lactobacillus plantarum are widely used as starter cultures for the Production of fish ensilage. The present study is the first quantitative and qualitative study on the occurrence and distribution of lactic acid bacteria in fresh and frozen fish and prawn. It is concluded that Lactobacillus plantaruni was the predominant lactobacillus species in fresh and frozen fish and shellfish. The ability of selected Lactobacillus cultures to grow at low temperatures, high salt content, produce bacteriocins, rapidly ferment sugars and decrease the pH make them potential candidates for biopreservation of fish and shellfish.